Разработан уникальный нейтронный анализатор горных пород

В Национальном исследовательском ядерном университете МИФИ разработали нейтронный анализатор горных пород. Это устройство предназначено для определения химического состава образцов различной природы. Разработка представлена на форуме «Армия-2024».

Прибор способен определить процентные доли химических элементов, входящих в состав горной породы, облучая образец быстрыми нейтронами. Устройство обладает рядом преимуществ перед аналогами: время анализа образца занимает всего 30 минут, причем благодаря высокой проникающей способности нейтронного излучения элементный анализ (объемный и неразрушающий) проходит по всему объему образца, и, кроме того, прибор позволяет определять наличие в образце легких элементов, таких как водород, бор или хлор.

Новый прибор может применяться в горнодобывающей и нефтяной промышленности, в металлургии, а также в научных исследованиях.

Нейтронно-радиационный метод основан на измерении спектров вторичного гамма-излучения, возникающего при облучении породы нейтронами. В результате первых соударений нейтронов с ядрами атомов горной породы начинается так называемое неупругое рассеяние нейтронов, при котором нейтроны замедляются, передавая большую часть энергии на возбуждение ядер атомов мишени. В результате ядра начинают излучать гамма-лучи, спектр которых является индивидуальной характеристикой атомов.

Но на этом взаимодействие нейтронов с атомами образца не кончается. Процесс замедления быстрых нейтронов в ходе неупругих взаимодействий длится несколько десятков микросекунд. Затем в веществе горной породы возникает излучение тепловых нейтронов. Замедлившись до тепловой энергии, нейтроны захватываются ядрами элементов и переходят в возбужденное состояние. Время жизни тепловых нейтронов — около 100 микросекунд. Последствием радиационного захвата теплового нейтрона ядром атома также является немедленное излучение гамма-квантов. Спектр гамма-излучения радиационного захвата также является индивидуальной характеристикой атомного ядра.

Гамма-излучение неупругого рассеяния и радиационного захвата от образца регистрируется сцинтилляционным детектором на основе кристалла бромида лантана. При взаимодействии гамма-излучения с веществом детектора образуются вспышки света, которые с помощью фотокатода преобразуются в электроны. Далее происходит процесс лавинного размножения электронов в фотоэлектронном умножителе: первичный сигнал умножается в несколько тысяч раз, благодаря чему образуются электрические импульсы, которые фиксируются электронной аппаратурой, позволяя измерять характеристики гамма-излучения.

В результате работы установки формируются энергетические спектры распределения гамма-излучения, при этом энергия гамма-излучения индивидуальна для каждого химического элемента, содержащегося в образце. Количество гамма-квантов, зарегистрированных детектором в определенных энергетических областях, пропорционально концентрации элементов, поэтому измерение скоростей счета, характерных для каждого элемента в энергетических областях, дает возможность определения содержания элементов в горных породах. Нейтронный анализатор, таким образом, способен предоставлять результаты элементного анализа за короткий промежуток времени без разрушения анализируемого образца.

При эксплуатации установки соблюдаются все нормы радиационной безопасности, а в выключенном ее состоянии полностью отсутствует излучение благодаря использованию импульсного нейтронного генератора 07 Т, разработанного партнером НИЯУ МИФИ — ВНИИА имени Духова.

Олег Чакилев, инженер кафедры прикладной ядерной физики ИФТИС НИЯУ МИФИ, ответил на вопросы «Ъ-Науки»:

— Для чего нам необходимо знать свойства горных пород?

— На всех этапах добычи полезных ископаемых необходим элементный анализ. На этапе разведки — для поиска конкретных мест залежей руды и т. д. На этапе добычи — контроль содержания элементов. Также полезно для разделения руды на обогащенную и обедненную. Помимо руды, может быть проанализирован шлам (порода, выходящая из скважины во время ее бурения), информация о составе, который может дать сведения о месте залежей нефтеносного слоя.

— Как, облучая образец быстрыми нейтронами, можно понять состав породы?

— Быстрыми называются нейтроны, имеющие энергию более 0,1 МэВ. При взаимодействии быстрых нейтронов с ядрами горных пород происходит реакция неупругого рассеяния, в результате которой ядро переходит в возбужденное состояние. Возбуждение ядра снимается путем испускания гамма-излучения. Для каждого элемента в горной породе энергия гамма-излучения индивидуальна. Таким образом, измеряя количество гамма-квантов в определенных энергетических областях, можно определить неизвестный элемент и его концентрацию.

Также мы используем тепловые нейтроны. Тепловые нейтроны имеют энергию 0,025 эВ. При их взаимодействии с ядрами образуется другой вид гамма-излучения — гамма-излучение радиационного захвата. Это дополнительно дает возможность для анализа элементов, недоступных для анализа методом неупругого рассеяния.

— В чем преимущества нейтронного анализатора горных пород, разработанного НИЯУ МИФИ, по сравнению с аналогами?

— В данной установке из вопроса выше регистрируется только излучение неупругого рассеяния. Также одним из недостатков является стоимость генератора на меченых нейтронах. В нашей установке используется импульсный генератор, что делает потенциальную стоимость в разы дешевле.

— Облучение нейтронами считается опасным для человека. Безопасно ли применение такого анализатора? Как достигается безопасность в приборе?

— Мы работаем в лаборатории, где установка включается удаленно из пультовой, поэтому на месте оператора радиационная обстановка сравнима с фоновой. В случае полевого применения оператор также может управлять удаленно.

Подготовлено при поддержке Минобрнауки